थर्मल साइक्लिंग के लिए इंटीग्रेटेड लिक्विड कूलिंग के साथ हीटिंग प्लेट कैसे डिज़ाइन करें?

कई विनिर्माण प्रक्रियाओं में, जैसे कि मिश्रित इलाज, थर्मोफॉर्मिंग और सेमीकंडक्टर परीक्षण, एक प्लेट की आवश्यकता होती है जो वस्तु को तेजी से गर्म कर सकती है और फिर सामग्री को सेट करने के लिए तेजी से ठंडा कर सकती है। यह एक एकल प्लेट के साथ किया जाता है जिसमें विद्युत ताप तत्व और आंतरिक तरल शीतलन चैनल दोनों होते हैं, लेकिन डिज़ाइन के लिए थर्मल तनाव और द्रव सीलिंग के सावधानीपूर्वक प्रबंधन की आवश्यकता होती है। हीटिंग और कूलिंग प्लेट का एक इष्टतम डिज़ाइन हीटिंग एकरूपता, शीतलन प्रतिक्रिया समय और दीर्घकालिक यांत्रिक अखंडता के गुणों को संतुलित करता है। यह मार्गदर्शिका इस बात पर चर्चा करती है कि ये दोहरे फ़ंक्शन प्लेटें कैसे बनाई जाती हैं, डिज़ाइन के मुद्दे, उपयोग की जाने वाली सामग्री और लेआउट विचार।

तापन-शीतलन प्लेट, का विशिष्ट निर्माण
एक विशिष्ट संयोजन हीटिंग और कूलिंग प्लेट को एल्यूमीनियम या स्टील के एक टुकड़े से तैयार किया जाता है। एक ही प्लेट पर एकीकृत दो अलग-अलग थर्मल सर्किट:

इलेक्ट्रिक हीटिंग तत्व कार्ट्रिज हीटर या ट्यूबलर हीटर ड्रिल किए गए ब्लाइंड होल में लगाए जाते हैं। वैकल्पिक रूप से, पतली प्लेटें रिवर्स सतह पर बंधे हुए नक़्क़ाशीदार फ़ॉइल हीटर का उपयोग कर सकती हैं।

तरल शीतलन चैनल - एक शीतलक (पानी या जल-ग्लाइकोल मिश्रण) को प्लेट के भीतर ड्रिल किए गए या मिल्ड मार्ग के माध्यम से प्रसारित किया जाता है।

तत्व कार्यशील सतह (भाग के संपर्क में आने वाला भाग) को गर्म करते हैं और कार्यशील सतह ताप को भार में स्थानांतरित करती है। कूलिंग मोड में, शीतलक प्लेट से गर्मी को अवशोषित करता है और इसे हटा देता है, जिससे काम करने वाली सतह का तापमान तेजी से कम हो जाता है।

एक विशिष्ट क्रॉस सेक्शन में (पाठ में दिया गया है) प्लेट को कामकाजी सतह से नीचे की ओर 3 कार्यात्मक क्षेत्रों में विभाजित किया गया है:

कार्यशील सतह परत - 5-15 मिमी मोटी, बिना हीटर और चैनल के। यह परत संपर्क सतह पर समरूप तापमान वितरण देती है।

हीटर ज़ोन - कार्ट्रिज हीटर कार्यशील सतह के समानांतर समतल में स्थित होते हैं, आमतौर पर कार्यशील सतह से 10-25 मिमी नीचे। हीटर समान रूप से वितरित होते हैं (आमतौर पर ग्रिड या कंपित डिज़ाइन में)।

कूलिंग चैनल ज़ोन - ड्रिल किए गए चैनल हीटर के नीचे 5-15 मिमी (कार्यशील सतह से दूर) या हीटर की पंक्तियों के बीच कुछ निश्चित कॉन्फ़िगरेशन में सेट किए जाते हैं। चैनल आमतौर पर 6-15 मिमी व्यास के होते हैं।

सटीक क्रम इस बात पर निर्भर करता है कि तापन दर अधिक महत्वपूर्ण है या शीतलन दर। ऐसे अनुप्रयोगों में जहां बहुत तेजी से शीतलन की आवश्यकता होती है, चैनल हीटर की तुलना में कामकाजी सतह के करीब स्थित हो सकते हैं, हालांकि इससे हीटिंग के दौरान तापमान में असमानता हो सकती है।

डिज़ाइन चुनौतियाँ और समाधान
1. थर्मल विस्तार नियंत्रण
इसलिए गर्म करने पर प्लेट फैल जाती है। ठंडा होने पर यह सिकुड़ जाता है। प्लेट सामग्री और एम्बेडेड घटकों के अंतर विस्तार के कारण कई तापमान चक्रों (उदाहरण के लिए . 20 डिग्री से 200 डिग्री और पीछे) में तनाव उत्पन्न होता है। कार्ट्रिज हीटर स्टील से बने होते हैं और एल्यूमीनियम प्लेट की तुलना में अलग गति से विस्तारित होंगे।

डिज़ाइन रणनीतियाँ.

कार्ट्रिज हीटर एक छोटे क्लीयरेंस (आमतौर पर 0.05{1}}0.10 मिमी व्यास का अंतर) से सुसज्जित होते हैं और उच्च तापमान वाले एंटी-सेज़ या थर्मली कंडक्टिव पेस्ट से ढके होते हैं। यह प्लेट के फैलने पर हीटर को उसके छेद में थोड़ा हिलने की अनुमति देता है।

पतली दीवारों को रोकने के लिए शीतलन चैनलों को हीटर के छेद के साथ संरेखित नहीं किया गया है जो चक्रीय तनाव के तहत टूट सकती हैं। किसी भी छेद और फीचर (हीटर होल या चैनल) के बीच की दीवार की मोटाई कम से कम 3-5 मिमी रखने का सुझाव दिया गया है।

मशीनिंग के बाद लेकिन अंतिम हीटर असेंबली से पहले प्लेट का तनाव कम किया जाता है (गर्मी का उपचार किया जाता है)। यह उन अवशिष्ट तनावों को कम करता है जो जंग लगने या टूटने का कारण बन सकते हैं।

हीट साइक्लिंग अनुप्रयोगों में, प्लेट को माउंटिंग बोल्ट द्वारा भी रोका जाता है। संगत वॉशर या स्लॉटेड माउंटिंग छेद के कारण प्लेट बिना बकलिंग के पार्श्व में विस्तारित हो सकती है।

2. द्रव की सील
विद्युत हीटरों के साथ शीतलक के संपर्क या प्लेट से रिसाव को रोकने के लिए कूलिंग चैनल लीक टाइट होने चाहिए। लीक थर्मल प्रदर्शन को भी प्रभावित करते हैं। सीलिंग की दो विशिष्ट विधियाँ कार्यरत हैं:

ड्रिल किए गए और भरे हुए छेद:
प्लेट के किनारे से चैनल ड्रिल करने के लिए लंबी ड्रिल बिट्स का उपयोग किया जाता है। ड्रिलिंग के बाद खुले सिरों को थ्रेडेड प्लग (पीटीएफई टेप या थ्रेड सीलेंट) या वेल्डेड कैप के साथ बंद कर दिया जाता है। इस दृष्टिकोण के परिणामस्वरूप बाहरी सीलिंग के बिना एक अखंड ब्लॉक बनता है। यह काफी विश्वसनीय है, हालाँकि यह चैनल ज्यामिति को सीधी रेखाओं तक सीमित रखता है।

क्रॉस-ड्रिल्ड जंक्शन:
यदि पैटर्न सर्पीन है और इसलिए परस्पर जुड़े चैनलों के नेटवर्क की आवश्यकता है, तो क्रॉस -ड्रिल किए गए छेद सतह पर बंद कर दिए जाते हैं। प्रत्येक प्लग एक संभावित रिसाव है। वे उच्च तापमान वाले O-रिंग्स (जैसे विटॉन या सिलिकॉन) या पतला पाइप धागे का उपयोग करते हैं। महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए सभी प्लगों को इंस्टालेशन के बाद उनकी जगह पर वेल्ड या ब्रेज़ किया जाता है।

शीतलक इनपुट और आउटलेट के लिए कनेक्शन:
प्लेट को स्टेनलेस स्टील या पीतल के बार्ब्स, एनपीटी थ्रेडेड पोर्ट या त्वरित कनेक्ट कपलिंग के साथ आपूर्ति की जाती है। सीलिंग O{{1}रिंग्स या पतले धागों द्वारा की जाती है। एक संतुलित डिज़ाइन 10 बार (150 पीएसआई) तक के दबाव और 20 डिग्री से 150 डिग्री (पानी-ग्लाइकोल के लिए) या विशेष शीतलक के साथ उच्चतर तापमान के लिए रिसाव अखंडता प्राप्त करता है।

3. गर्म करने और ठंडा करने के बीच थर्मल लैग
शीतलन प्रतिक्रिया स्वाभाविक रूप से गर्म करने की तुलना में धीमी होती है क्योंकि शीतलक प्रवाह दर और गर्मी हस्तांतरण गुणांक सीमित होते हैं। यदि शीतलन चैनलों को कामकाजी सतह से बहुत दूर रखा जाता है, तो प्लेट को ठंडा होने में अत्यधिक समय लगेगा, जिससे चक्र का समय बढ़ जाएगा।

थर्मल लैग को कम करना:

शीतलन चैनलों को यथासंभव कामकाजी सतह के करीब रखा जाता है, जबकि विरूपण से बचने के लिए सामग्री की पर्याप्त मोटाई छोड़ी जाती है। कामकाजी सतह से निकटतम चैनल किनारे तक 10-20 मिमी की गहराई सामान्य है।

अधिकतम ताप पथ लंबाई को कम करने के लिए चैनल घनत्व बढ़ाया जाता है (चैनलों के बीच छोटी दूरी, उदाहरण के लिए, 25-40 मिमी)।

टर्बुलेंस प्रमोटर (उदाहरण के लिए, मुड़े हुए टेप आवेषण या खुरदरी चैनल सतह) कूलेंट साइड हीट ट्रांसफर गुणांक को बढ़ाते हैं, जिससे चैनलों को करीब लाए बिना अंतराल कम हो जाता है।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि कूलिंग चैनलों को हीटिंग तत्वों के बहुत करीब रखने से व्यवधान पैदा हो सकता है। यदि कोई चैनल सीधे कार्ट्रिज हीटर के बगल से गुजरता है, तो शीतलक हीटिंग चरण के दौरान गर्मी निकाल देगा, जिससे दक्षता कम हो जाएगी और एक ठंडा स्थान बन जाएगा। व्यवहार में, चैनलों को हीटर पंक्तियों के बीच रूट किया जाता है, न कि सीधे व्यक्तिगत हीटरों के साथ।

सामग्री चयन: एल्युमीनियम बनाम स्टील
सामग्री तापीय चालकता (W/m·K) तापीय विसरणशीलता (mm²/s) उच्च तापमान संक्षारण प्रतिरोध पर सापेक्ष तापीय प्रतिक्रिया शक्ति
एल्यूमिनियम (6061-टी6) 167 68 तेज मध्यम (150 डिग्री से ऊपर व्युत्पन्न) मध्यम (एनोडाइज्ड सुधार)
स्टील (ए36) 45 12 धीमा उच्च (400 डिग्री + तक) कम (जंग लग जाता है, कोटिंग की आवश्यकता होती है)
स्टेनलेस स्टील (304) 16 4.2 बहुत धीमी गति से उच्च (500 डिग्री + तक) उत्कृष्ट
अधिकांश प्लेटों को गर्म करने और ठंडा करने के लिए एल्युमीनियम को प्राथमिकता दी जाती है क्योंकि इसकी उच्च तापीय विसरणशीलता तेजी से तापमान परिवर्तन की अनुमति देती है। 25 मिमी मोटी एल्यूमीनियम प्लेट हीटर की शक्ति या शीतलक प्रवाह में एक कदम परिवर्तन पर समकक्ष स्टील प्लेट की तुलना में काफी तेजी से प्रतिक्रिया करती है। हालाँकि, एल्युमीनियम 150 डिग्री से ऊपर ताकत खो देता है और निरंतर भार के तहत रेंग सकता है। 200 डिग्री से ऊपर के अनुप्रयोगों के लिए, धीमी तापीय प्रतिक्रिया के बावजूद स्टील या स्टेनलेस स्टील की आवश्यकता होती है।

जब स्टेनलेस स्टील का उपयोग किया जाता है, तो कम तापीय चालकता की भरपाई के लिए कूलिंग चैनल का डिज़ाइन अधिक आक्रामक (छोटी दूरी, उच्च प्रवाह दर) होना चाहिए।

शीतलक चयन और सिस्टम एकीकरण
परिवेश और विशिष्ट प्रसंस्करण तापमान (0-150 डिग्री) के बीच थर्मल साइक्लिंग के लिए, विआयनीकृत पानी और एथिलीन ग्लाइकॉल या प्रोपलीन ग्लाइकॉल का मिश्रण मानक है। ग्लाइकोल सांद्रता को सबसे कम अपेक्षित परिवेश तापमान (उदाहरण के लिए, -15 डिग्री फ्रीज सुरक्षा के लिए 30% ग्लाइकोल) के आधार पर चुना जाता है। ग्लाइकोल एल्यूमीनियम और स्टील के क्षरण को भी रोकता है।

शीतलक प्रवाह आवश्यकताएँ:
आवश्यक प्रवाह दर की गणना शीतलन शुल्क (गर्मी हटाने की दर) और स्वीकार्य शीतलक तापमान वृद्धि से की जाती है। एक सामान्य प्लेट के लिए, प्रति चैनल नेटवर्क 5-20 एल/मिनट की प्रवाह दर सामान्य है। एक सर्कुलेटिंग पंप के साथ एक समर्पित चिलर या हीट एक्सचेंजर का उपयोग किया जाता है। शीतलक तापमान को हीटर नियंत्रण से अलग से नियंत्रित किया जाता है।

नियंत्रण प्रणाली के साथ एकीकरण:
प्लेट को एक नियंत्रण प्रणाली की आवश्यकता होती है जो हीटिंग और कूलिंग मोड के बीच स्विच करती है। दो सामान्य दृष्टिकोण:

बैंग-बैंग नियंत्रण - हीटर बंद कर दिए जाते हैं और एक सोलनॉइड वाल्व शीतलक प्रवाह को खोल देता है। सरल लेकिन अधिक हो सकता है या दोलन कर सकता है।

कूलिंग आउटपुट के साथ पीआईडी ​​- एक पीआईडी ​​नियंत्रक में दो आउटपुट होते हैं: एक हीटर पावर (एसएसआर के माध्यम से) के लिए और एक मॉड्यूलेटिंग कूलेंट वाल्व या पंप गति के लिए। यह सुचारू संक्रमण और कड़ा तापमान नियंत्रण प्रदान करता है।

किसी भी मामले में, एक सुरक्षा इंटरलॉक हीटर को सक्रिय होने से रोकता है जबकि शीतलक बंद होता है और प्लेट सुरक्षित तापमान से ऊपर होती है (स्थिर शीतलक को अधिक गर्म होने से बचाने के लिए)।

लेआउट उदाहरण: सर्पेन्टाइन कूलिंग चैनल के साथ कार्ट्रिज हीटर
थर्मोप्लास्टिक शीट के थर्मोफॉर्मिंग के लिए 400 मिमी × 400 मिमी वर्गाकार प्लेट पर विचार करें। आवश्यकताएँ: 5 मिनट में 180 डिग्री तक गर्म करें, 8 मिनट में 50 डिग्री तक ठंडा करें। प्लेट की मोटाई: 40 मिमी (एल्यूमीनियम 6061)।

हीटर लेआउट:

कार्ट्रिज हीटर (10 मिमी व्यास, 300 मिमी लंबाई, 500 डब्ल्यू प्रत्येक) को पीछे की ओर से ब्लाइंड छेद में डाला जाता है।

हीटर के छेद एक ग्रिड पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं: 6 पंक्तियाँ × 6 कॉलम (कुल 36 हीटर)। अंतर: केंद्रों के बीच 65 मिमी.

हीटर की युक्तियाँ विपरीत (काम करने वाले) चेहरे से 15 मिमी की दूरी पर स्थित हैं।

कूलिंग चैनल लेआउट:

एक सर्पेन्टाइन चैनल नेटवर्क को एकल सतत पथ के साथ ड्रिल किया जाता है। चैनल व्यास: 12 मिमी.

चैनल काम की सतह से 20 मिमी नीचे स्थित हैं (यानी, शीर्ष सतह से 20 मिमी, हीटर काम की सतह से 25 मिमी नीचे हैं - इस डिज़ाइन में हीटर वास्तव में चैनलों से 5 मिमी नीचे हैं, इसलिए चैनल काम की सतह के करीब हैं)।

चैनल रिक्ति (केंद्र से - केंद्र तक) 65 मिमी है, जो हीटर पंक्तियों के बीच अंतराल के साथ संरेखित है। कोई भी चैनल सीधे हीटर के ऊपर से नहीं गुजरता।

इनलेट और आउटलेट फिटिंग प्लेट के किनारे पर लगी होती हैं।

क्रॉस-अनुभागीय विवरण (पाठ आरेख):

कार्यशील सतह से नीचे की ओर (ऊर्ध्वाधर दूरी):

0-15 मिमी: ठोस एल्यूमीनियम (कोई विशेषता नहीं) - सतह के तापमान की एकरूपता सुनिश्चित करता है।

15-27 मिमी: कूलिंग चैनल (12 मिमी व्यास) 21 मिमी गहराई पर केंद्रित।

27-35 मिमी: हीटर से ठोस एल्युमीनियम अलग करने वाले चैनल।

35-45 मिमी: कार्ट्रिज हीटर छेद (10 मिमी व्यास) 40 मिमी गहराई पर केंद्रित (पीछे की ओर से)। हीटर नीचे से डाले जाते हैं।

यह व्यवस्था कूलिंग चैनलों को हीटर की तुलना में कामकाजी सतह के 6 मिमी करीब रखती है, जो तेजी से शीतलन को बढ़ावा देती है। हीटिंग के दौरान, कुछ गर्मी चैनलों की ओर संचालित होती है, लेकिन उनके नीचे ठोस एल्यूमीनियम परत और शीतलक बंद (कोई प्रवाह नहीं) नुकसान को कम करता है। जब शीतलन शुरू होता है, तो शीतलक प्रवाहित होता है और 15 मिमी की पतली ठोस परत के माध्यम से कामकाजी सतह से गर्मी निकालता है।

उच्च-साइकिल अनुप्रयोगों के लिए अतिरिक्त विचार
तापीय थकान जीवन - प्रत्येक तापन-शीतलन चक्र प्लेट सामग्री में तनाव उत्पन्न करता है। एल्युमीनियम में 20 डिग्री और 200 डिग्री के बीच लगभग 10,000 चक्रों तक अच्छा थर्मल थकान प्रतिरोध होता है। उच्च चक्र गणना के लिए, स्टील या इनकोनेल की सिफारिश की जाती है।

Electrical isolation – If the plate is used in contact with sensitive electronics (e.g., semiconductor test), the plate should be grounded and the heaters should have high insulation resistance (>10 मेगाहोम्स)। ग्राउंड फॉल्ट डिटेक्शन सिस्टम की सलाह दी जाती है।

सतह का समतल होना - थर्मल साइक्लिंग से धीरे-धीरे जंग लग सकती है। यदि कार्य क्षेत्र में समतलता 0.05 मिमी से अधिक हो तो प्लेट की समय-समय पर जांच की जानी चाहिए और उसे दोबारा सतह पर लाया जाना चाहिए।

निष्कर्ष
एकीकृत हीटिंग और कूलिंग प्लेटें उन प्रक्रियाओं में तेज़ चक्र समय को सक्षम बनाती हैं जिनके लिए तेज़ हीटिंग और नियंत्रित कूलिंग दोनों की आवश्यकता होती है। एक संतुलित हीटिंग और कूलिंग प्लेट डिज़ाइन थर्मल विस्तार, द्रव सीलिंग और थर्मल लैग का प्रबंधन करता है। तेज तापीय प्रतिक्रिया के लिए एल्युमीनियम को प्राथमिकता दी जाती है, जबकि उच्च तापमान या अधिक स्थायित्व के लिए स्टील को चुना जाता है। कार्ट्रिज हीटर मजबूत, बदली जाने योग्य ताप स्रोत प्रदान करते हैं, और ड्रिल किए गए कूलिंग चैनल (उचित प्लगिंग और फिटिंग के साथ) विश्वसनीय तरल शीतलन प्रदान करते हैं। हीटर और चैनलों की व्यवस्था को विशिष्ट चक्र आवश्यकताओं के लिए अनुकूलित किया जाना चाहिए, तेजी से ठंडा करने के लिए चैनलों को कामकाजी सतह के करीब रखा जाना चाहिए। मांग वाले उत्पादन चक्रों के लिए कस्टम थर्मल समाधान आवश्यक हैं, और जब तनाव प्रबंधन और सामग्री चयन पर ध्यान दिया जाता है तो एक अच्छी तरह से डिज़ाइन किया गया हीटिंग कूलिंग प्लेटन हजारों विश्वसनीय चक्र प्रदान कर सकता है।